Закономерности самоорганизации у муравьев

Муравьи вокруг капли меда

Муравьи — простые животные, и их поведенческий набор ограничен от десяти до сорока элементарных моделей поведения. Это попытка объяснить различные закономерности самоорганизации у муравьев .

Муравьи как сложные системы

Муравьиные колонии представляют собой самоорганизующиеся системы: сложное коллективное поведение возникает как продукт взаимодействия между многими особями, каждая из которых следует простому набору правил, а не посредством инструкций сверху вниз от элитных особей или королевы. Ни один работник не обладает универсальными знаниями о нуждах колонии; отдельные работники реагируют только на местную среду. По этой причине муравьи являются популярным источником вдохновения для проектирования программного обеспечения, робототехники, промышленного дизайна и других областей, в которых множество простых частей работают вместе для выполнения сложных задач.

Наиболее популярной современной моделью самоорганизации муравьев и других социальных насекомых является модель порога реакции. Порогом для конкретной задачи является количество стимулов, таких как феромон или взаимодействие с другими работниками, необходимое, чтобы заставить работника выполнить связанную задачу. Более высокий порог требует более сильного стимула и, таким образом, приводит к меньшему предпочтению выполнения конкретной задачи. У разных работников разные пороговые значения для разных задач, что позволяет определенным работникам выступать в качестве специалистов, которые преимущественно выполняют одну или несколько задач. На пороговые уровни могут влиять несколько факторов: возраст рабочих, поскольку с возрастом рабочие часто переключаются с работы внутри гнезда на работу вне гнезда; размер, поскольку более крупные рабочие часто выполняют разные задачи, например, оборону или обработку семян; каста; здоровье, поскольку травмы могут побудить молодых рабочих раньше перейти к работе вне гнезда; или быть распределены случайным образом. По мере увеличения спроса на задачу растет и доля работников, чьи пороговые значения достигаются; по мере того, как спрос снижается, меньшее количество рабочих достигает пороговых значений и меньше рабочих выделяется на эту задачу. Таким образом, простые индивидуальные правила позволяют регулировать работу в больших масштабах и в самых разных условиях. Эта система также может развиваться в ответ на различные условия окружающей среды и стратегии жизненного цикла, что приводит к огромным вариациям, наблюдаемым у муравьев.

Бифуркация

Это мгновенный переход всей системы на новый устойчивый режим работы при достижении порога. Бифуркация также известна как мультистабильность, при которой возможно множество стабильных состояний.

Примеры типов узоров:

1. Переход между неупорядоченным и упорядоченным узором
2. Переход от равномерного использования многих источников пищи к одному источнику.
3. Формирование разветвленных гнездовых галерей.
4. Групповое предпочтение одного выхода убегающими муравьями.
5. Формирование цепочки взаимного захвата ног.

Синхронизация

Колеблющиеся модели активности, при которых люди на разных уровнях активности стимулируют друг друга, возникающие в результате взаимной активации.

Примеры типов узоров:

1. Короткомасштабные ритмы, возникающие в результате механической активации при физическом контакте.
2. Длинномасштабные ритмы, при которых временные изменения потребностей в пище и личинках стимулируют изменения репродуктивного цикла.

Самоорганизующиеся волны

Бегущие волны химической концентрации или механической деформации.

Примеры типов узоров:

1. Волны тревоги распространяются при физическом контакте.
2. Вращение троп из-за пространственных изменений пищевых ресурсов, влияющих на деятельность по прокладке троп.

Самоорганизованная критичность

Самоорганизованная критичность — это резкое нарушение в системе, возникающее в результате нарастания событий без внешних стимулов.

Примеры типов узоров:

1. Резкие изменения в пищевой активности.
2. Механический захват ног, образующих муравьиные капли.